CN109249267A - 气旋式空气冷却微重力铣削机 - Google Patents

气旋式空气冷却微重力铣削机 Download PDF

Info

Publication number
CN109249267A
CN109249267A CN201810425509.9A CN201810425509A CN109249267A CN 109249267 A CN109249267 A CN 109249267A CN 201810425509 A CN201810425509 A CN 201810425509A CN 109249267 A CN109249267 A CN 109249267A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cyclonic
air
milling machine
clast
cover
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810425509.9A
Other languages
English (en)
Inventor
D·W·迪希特
R·格里芬
R·卡尔加特吉
S·麦克尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aurora Flight Sciences Corp
Original Assignee
Aurora Flight Sciences Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aurora Flight Sciences Corp filed Critical Aurora Flight Sciences Corp
Publication of CN109249267A publication Critical patent/CN109249267A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0042—Devices for removing chips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C9/00—Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0042—Devices for removing chips
    • B23Q11/005—Devices for removing chips by blowing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/08—Protective coverings for parts of machine tools; Splash guards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/08—Protective coverings for parts of machine tools; Splash guards
    • B23Q11/0891—Protective coverings for parts of machine tools; Splash guards arranged between the working area and the operator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/10—Arrangements for cooling or lubricating tools or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/14—Methods or arrangements for maintaining a constant temperature in parts of machine tools
    • B23Q11/145—Methods or arrangements for maintaining a constant temperature in parts of machine tools using a jet of gas or cutting liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G4/00—Tools specially adapted for use in space
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/003—Shapes or dimensions of vortex chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C2230/00—Details of chip evacuation
    • B23C2230/08—Using suction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C2270/00—Details of milling machines, milling processes or milling tools not otherwise provided for
    • B23C2270/20—Milling external areas of components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0042—Devices for removing chips
    • B23Q11/006—Devices for removing chips by sucking and blowing simultaneously
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/14—Methods or arrangements for maintaining a constant temperature in parts of machine tools
    • B23Q11/148—Methods or arrangements for maintaining a constant temperature in parts of machine tools by controlling the air temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/007—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for managing machine functions not concerning the tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/099—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring features of the machined workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/20—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring workpiece characteristics, e.g. contour, dimension, hardness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T409/00—Gear cutting, milling, or planing
    • Y10T409/30—Milling
    • Y10T409/30392—Milling with means to protect operative or machine [e.g., guard, safety device, etc.]

Abstract

本申请公开气旋式空气冷却微重力铣削机，并公开用于在微重力系统中执行消减加工的气旋式系统。气旋式系统包括：罩体、鼓风机以及用于从铣床收集碎屑的碎屑收集模块。罩体包括顶板、基板和将顶板连结到基板的渐缩侧壁。该罩体限定腔室，以容纳具有切割工具的铣床。鼓风机产生气流，该气流引发气旋式空气流，以实现碎屑在罩体内的气旋式分离。在操作中，气旋式空气流将来自铣床的碎屑朝向基板推进并且进入铣床中。

Description

气旋式空气冷却微重力铣削机
技术领域
本公开主要涉及制造，更具体地涉及用于在微重力系统中执行消减加工的系统、方法和设备。
背景技术
人类逐渐在太空中花费更多时间的趋势促使政府和私人对在太空制造的概念产生兴趣。离开和进入地球大气层的成本为在轨道上和/或地球环境外制造零件提供了明确的经济动机。例如，修复空间站、卫星、太空舱等。然而，目前的能力非常有限。例如，美国国家航空航天局(NASA)在国际空间站上操作两台熔融式沉积成型(FDM)三维(3D)打印机，这些打印机能够在国际空间站的微重力环境下打印塑料零件。FDM 3D打印以及大多数增材制造工艺都存在缺点。例如，一些3D打印技术需要液体或粉末基质，这些基质不适合微重力。其它FDM 3D打印技术限制于低强度塑料。最后，大多数增材制造工艺需要额外的消减加工(精加工)工艺，以实现适合用于更高精度航天认证硬件的公差。
NASA一直在积极开发称为电子束自由成形制作(EBF3)的金属3D打印技术，该技术通过使用电子束连续熔融金属进料线轴来构建尺寸微大(即近净)的金属零件。通过设计，该技术对于微重力是理想的，并且在能量和材料使用方面是高效的，但是具有与构建部件零件时形成的熔化金属池的相对大且难以控制的直径相关的限制。因此，EBF3制造的部件具有远低于工程工作中采用的标准/预期值的表面抛光和公差。例如，由EBF3工艺沉积的部件通常表现出在特性上粗糙的层状表面抛光。此外，壁厚和表面抛光二者均高度依赖于熔化金属池的性质。为了精制EBF3沉积的部件，可采用消减后加工工艺来除去材料的量以使近净零件达到所需的净形状(即，最终尺寸/形状)。然而，目前还没有在微重力中执行消减加工的方式。因此，需要用于在微重力中执行消减加工的系统、方法和设备。
发明内容
本公开主要涉及制造，更具体地涉及用于在微重力中执行消减加工的气旋式(cyclonic)系统、方法和设备。
根据第一方面，用于在微重力系统中执行消减加工的气旋式系统包括：罩体，其具有顶板、基板和将顶板连结到基板的渐缩侧壁，其中罩体限定腔室以容纳具有切割工具的铣床；鼓风机，来产生气流以用于引发气旋式空气流以在罩体内实现气旋式分离，其中气旋式空气流被配置成将来自铣床的碎屑朝向基板推进；以及碎屑收集模块，以收集来自铣床的碎屑。
本发明的实施例包括用于在微重力系统中执行消减加工的气旋式系统，气旋式系统包括罩体，其具有顶板、基板和将顶板连结到基板的渐缩侧壁，其中罩体限定腔室以容纳具有切割工具的铣床；鼓风机，来产生气流以用于引发气旋式空气流以在罩体内实现气旋式分离，其中气旋式空气流被配置成将来自铣床的碎屑朝向基板推进；以及碎屑收集模块，以收集来自铣床的碎屑。气旋式空气流可以经配置沿着基板的周边将碎屑推到碎屑收集模块。罩体是截头圆锥形状。顶板位于第一平面中，并且基板位于与第一平面间隔开并且基本上平行于第一平面的第二平面中。腔室是由顶板和基板之间的渐缩侧壁限定的圆锥截头体。气旋式系统还可以包括分流器，其接收来自鼓风机的气流并且跨越多个空气管道划分气流。至少两个空气管道可各自在不同注射位点处流体耦接到罩体。两个空气管道可以被配置成将空气切向地注射到罩体中以产生气旋式空气流。所述多个空气管道中的至少一个可邻近铣床地位于罩体内，以在切割工具处供应定向空气流。定向空气流可被配置成经由喷雾嘴将碎屑吹入气旋式空气流中。定向空气流可被配置成冷却切割工具。气流可通过罩体外的空气冷却单元冷却来产生具有调节的温度的定向空气流。空气冷却单元可为热交换器。铣床可为计算机数字控制(CNC)铣床。气旋式系统还可包括与感知系统可操作地耦接以监测CNC铣床的计算机。计算机可被配置成在铣床的操作期间提供反馈。反馈可至少部分地基于来自感知系统的先验信息和传感器数据。渐缩侧壁可由金属、金属合金、塑料或其组合制作。气旋式系统还可包括喷雾嘴，以将来自鼓风机的定向空气流喷射到切割工具上。喷雾嘴也可将切割流体喷射到切割工具上。碎屑收集模块可包括压实器，以压实容纳在碎屑收集模块内的碎屑。
在某些方面，气旋式空气流被配置成沿基板的周边将碎屑推进到碎屑收集模块。
在某些方面，罩体是截顶圆锥形状。
在某些方面，顶板位于第一平面中，并且基板位于与第一平面间隔开并且基本上平行于第一平面的第二平面中。
在某些方面，腔室是由顶板和基板之间的渐缩侧壁限定的圆锥截头体。
在某些方面，气旋式系统还可包括分流器，来接收来自鼓风机的气流并且跨越多个空气管道划分气流。
在某些方面，至少两个空气管道各自在不同注射位点处流体耦接到罩体。
在某些方面，两个空气管道中的每个被配置成将空气切向地注射到罩体中以产生气旋式空气流。
在某些方面，所述多个空气管道中的一个邻近铣床地位于罩体内，以在切割工具处供应定向空气流。
在某些方面，定向空气流被配置成经由喷雾嘴将碎屑吹入气旋式空气流中。
在某些方面，定向空气流被配置成冷却切割工具。
在某些方面，气流通过罩体外的空气冷却单元冷却来产生具有调节的温度的定向空气流。
在某些方面，空气冷却单元是热交换器。
在某些方面，铣床是计算机数字控制(CNC)铣床。
在某些方面，气旋式系统还可包括与感知系统可操作地耦接以监测CNC铣床的计算机。
在某些方面，计算机可被配置成在铣床的操作期间提供反馈。
在某些方面，反馈至少部分地基于来自感知系统的先验信息和传感器数据。
在某些方面，渐缩侧壁由金属、金属合金、塑料或其组合制作。
在某些方面，气旋式系统还可包括喷雾嘴，以将来自鼓风机的定向空气流喷射到切割工具上。
在某些方面，喷雾嘴也可将切割流体喷射到切割工具上。
在某些方面，碎屑收集模块包括压实器，以压实容纳在碎屑收集模块内的碎屑。
在某些方面，碎屑收集模块包括压实器，以压实容纳在碎屑收集模块内的碎屑。
附图说明
根据在附图中所示的本文描述的设备、系统和方法的特定实施例的描述，本文描述的设备、系统和方法的前述的和其它目的、特征和优点将变得显而易见，其中相似的附图标记指代相似的结构。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本文描述的设备、系统和方法的原理上。
图1a和图1b分别示出加工前和加工后的示例3D打印部件。
图2a至图2c示出示例性消减铣床。
图3a和图3b示出用于在微重力环境中与消减铣床一起使用的示例性气旋式空气冷却式罩体。
具体实施方式
下文将参考附图描述本公开的优选实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地示出本实施例的原理上。比如，为了描述的清楚和方便，元件的尺寸可被扩大。而且，只要可能，贯穿附图使用相同的附图标记来指代实施例的相同或相似的元件。在下面的描述中，众所周知的功能或结构没有详细描述，因为它们可在不必要的细节中模糊本公开。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为实施例的实践所必需的。
除非本文另外指出，否则本文中数值范围的叙述并非旨在进行限制，而是单独地指代落入该范围内的任何和全部值，并且在此范围内的每个单独的值被并入说明书中，就好像它在本文中被单独叙述。词语“大约”、“约”等在伴随数值时被解释为指示偏差，如本领域普通技术人员将理解的那样，以为了预期的目的而满意地操作。值和/或数值的范围在本文中仅作为示例提供，并且不构成对所描述的实施例的范围的限制。本文提供的任何示例或示例性语言(“例如”、“诸如”等)的使用仅旨在更好地说明实施例，而不是对实施例的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件表示为实施例的实践所必需的。
在以下描述中，应当理解，诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧”、“前”、“后”等术语是为了方便而不是被解释为限制性术语的词语。对于本公开，应当应用下列术语和定义。
术语“和/或”意指列表中由“和/或”连结的项目中的任何一个或多个。作为示例，“x和/或y”意指三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”意指“x和y中的一个或二者”。作为另一个示例，“x、y和/或z”是指七元素集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”意思是“x、y和z中的一个或多个”。
术语“电路”和“电路系统”是指可配置硬件，由硬件执行，和/或以其它方式与硬件相关联的物理电子部件(例如，硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，当执行第一组一行或多行代码时，特定处理器和存储器可包括第一“电路”，并且当执行第二组一行或多行代码时，特定处理器和存储器可包括第二“电路”。如本文中所使用的，不论何时电路系统包括执行功能必要的硬件和代码(如果需要的话)，电路系统都“可操作”以执行该功能，无论该功能的性能被禁用还是未被启用(例如，通过使用者可配置设置，工厂调整等)。
如本文所使用的术语“耦接”、“耦接到”和“与……耦接”各自意指两个或更多个设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、处理、程序、媒体、部件、网络、系统、子系统和/或工具之间或之中的关系，它们构成以下任何一项或多项：(i)连接，无论是直接连接还是通过一个或多个其它设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、处理、程序、媒体、部件、网络、系统、子系统或工具的连接；(ii)通信关系，无论是直接通信还是通过一个或多个其它设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、处理、程序、媒体、部件、网络、系统、子系统或工具的通信；和/或(iii)功能关系，其中任何一个或多个设备、装置、文件、电路、元件、功能、操作、处理、程序、媒体、部件、网络、系统、子系统或工具的操作全部或部分地依赖于其任何一个或多个的操作。
本文所使用的术语“数据”意指表示无论是永久的还是暂时的，无论是可见的、可听见的、声学的、电的、磁的、电磁的或以其它方式表现的信息的任何标记、信号、标号、符号、域、符号集、表示和任何其它物理形式或多种形式。术语“数据”用于表示处于一种物理形式的预定信息，包含处于不同的物理形式或多种形式的对应信息的任何和全部表示。
本文使用的术语“数据库”意指相关数据的组织体，而不管表示数据或其组织体的方式。例如，相关数据的组织体可为表、图、网格、数据包、数据报、帧、文件、电子邮件、消息、文档、报告、列表或任何其它形式中的一个或多个的形式。
术语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。本文描述的实施例不是限制性的，而仅是示例性的。应当理解的是，所描述的实施例不一定被解释为比其它实施例优选或有利。此外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例均包括所讨论的特征、优点或操作模式。
术语“存储器设备”意指存储供处理器使用的信息的计算机硬件或电路系统。存储器设备可以是任何合适类型的计算机存储器或任何其它类型的电子存储介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、高速缓冲存储器、光盘只读存储器(CDROM)、电光存储器、磁光存储器、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、计算机可读介质等。
本文使用的术语“网络”包括包括因特网在内的所有种类的网络和互联网络二者，并且不限于任何特定的网络或互联网络。
术语“处理器”意指处理设备、装置、程序、电路、部件、系统和子系统，无论是以硬件、实现为有形的软件或二者来实现，并且无论它是否是可编程的。术语“处理器”包括但不限于，一个或多个计算设备、硬连线电路、信号修改设备和系统、用于控制系统的设备和机器、中央处理单元、可编程设备和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、包括离散元件和/或电路的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施以及上述中的任意组合。处理器可为例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理(DSP)处理器、专用集成电路(ASIC)。处理器可耦接到存储器设备或与存储器设备集成。
本文公开气旋式空气冷却式微重力铣床，其通过使计算机数字控制(CNC)铣削技术适应微重力环境，能够在微重力环境下生产高精度工程零件。气旋式空气冷却式微重力铣床使用受控空气流和稳健的工具路径，以使得能够在微重力环境下使用常规的消减铣床(例如CNC铣床)，从而准许在地球以外用几乎所有工程材料生产高精度零件。
图1a和图1b分别示出加工前和加工后的示例性3D打印部件100(例如，EBF3、FDM等)。如图1a所示，在加工之前，3D印刷部件100a是近净的(尺寸稍大)并且表现出远低于标准/期望值的表面抛光和公差。例如，由EBF3工艺沉积的部件通常表现出在特性上粗糙的层状表面抛光102。因为3D打印的部件100a尺寸稍大，所以可向下铣削表面以除去粗糙的层状表面抛光102。特别地，可采用消减后加工工艺来除去少量材料(例如，约1/8英寸)以使近净3D打印部件100a达到图1b所示的3D打印部件100b的期望净形状。注意，与原始3D打印部件100a相比，经铣削的3D打印部件100b的表面基本上更平滑且无缺陷。
图2a示出固定工件222(例如3D打印部件100)以及执行切割/铣削的示例性消减铣床200。消减铣床200通常可包括驱动马达210，以经由主轴226旋转工具刀头(例如，切割器工具212)；喷雾嘴218，以例如在切割器工具212上喷射切割流体228；以及多轴框架，以相对于工件222(例如3D打印部件100)支撑和移动切割器工具212。多轴框架的轴马达208和驱动马达210可使用经由数据和电力电缆216通信地耦接到消减铣床200的计算机的信号来控制。取决于需要，消减铣床200可为具有桌面外形因数的小型CNC铣床，并且可提供沿2个轴至6个轴的移动。例如，取决于预期的应用，消减铣床200可为在一侧(即，X轴、Y轴和Z轴)上具有1英尺到10英尺之间的任何尺寸。具有桌面形状因数(即，在一侧上3英尺或更小)的消减铣床200可为例如10英寸至25英寸高(Z轴)，15英寸至36英寸宽(X轴)和15英寸至36英寸深(Y轴)。
多轴框架可在计算机(即处理器)控制下沿X轴、Y轴和Z轴(即，三个致动自由度)中的一个或多个相对于工件222(其位于基部结构204的工作表面上)选择性地移动切割器工具212。在其它实施例中，除了X轴、Y轴和Z轴之外，消减铣床200可包括额外的致动自由度，达到六个致动自由度。
多轴框架可采用多个轴马达208(例如，步进马达)和线性耦接器214(例如线性轨道、导轨、杆等)，以在其操作范围内沿每个致动的自由度移动切割器工具212。例如，可提供一个或多个轴马达208和线性耦接器214以选择性地控制每个自由轴。(一个或多个)轴马达208可在每个轴上提供0.001英寸或更大的分辨率以实现优于±0.005英寸的尺寸精度。
在一个示例中，多轴框架可包括经由一组平行竖直支撑构件206耦接到基部结构204的线性横向构件202。如图所示，线性横向构件202在每个端部处以直角(90度)耦接到竖直支撑构件206，使得线性横向构件202的纵向轴线基本上平行于基部结构204的工作表面(即，顶部平面/表面)。驱动马达210可被耦接到马达座架220，使得驱动马达可以沿Z轴(即，上和下)相对于基部结构204移动。例如，驱动马达210(或耦接到驱动马达210的中间马达结构)可经由第一组线性耦接器可滑动地耦接到马达座架220并且经由第一轴马达来控制。在另一个示例中，驱动马达210可相对于马达座架220被固定，其中通过相对于马达座架220移置主轴226或经由套管轴(例如，主轴226的可延伸部分)相对于主轴226移置切割器工具212来实现沿Z轴的移动。
马达座架220继而可耦接到线性横向构件202并且被配置成在第二轴马达208的动力下经由第二组线性耦接器214沿X轴相对于基部结构204行进。为了提供沿Y轴的移动，每个竖直支撑构件206可经由第三组线性耦接器214可滑动地耦接到基部结构204，使得其在第三轴马达的动力下相对于基部结构204移动，第三轴马达可定位在竖直支撑构件206(如图所示)上或位于基部结构204内。可以理解，沿Y轴移置该组竖直支撑构件206也移置线性横向构件202和耦接到该线性横向构件202的设备。
切割器工具212可经由主轴226耦接到驱动马达210。切割器工具212可使用例如夹头扳手(chuck key)可移除地耦接到主轴226。主轴226可被配置成与不同尺寸的各种切割器工具212耦接。例如，主轴226可接受具有1/8英寸刀柄的切割器工具212刀头，但是尤其可以使用可调节的主轴和/或适配器以经调节适应其它尺寸(例如，3/16英寸、1/4英寸、1/2英寸等)的刀柄。主轴226还可以接受各种其它工具刀头，包括但不限于检查探头和增材制造头部。例如，可使用金属增材激光熔覆制造头部，或可使用触摸检查探头，其可以用于基于接触的检查技术。
消减铣床200还可包括在消减铣床200的操作范围内(例如，在基部结构204上)的工具台228，以存储可被装载到主轴226中的额外的切割工具、检查工具和其它各种各样的工具232。具体地，工具台228可采用多个工具容器230以固定不使用的额外工具232。在操作中，当需要不同的工具时，消减铣床200可将当前使用的工具(例如，切割器工具212)引领到未占用的工具容器230，将工具插入未占用的工具容器230中并且从主轴226释放工具的刀柄。然后，主轴226可在处理器控制下引领到工具台228内的不同工具，由此主轴226可接合期望的工具并且将工具锁定在适当的位置(例如，通过围绕新工具的刀柄紧固主轴226)。一旦期望的工具被锁定在适当的位置，消减铣床200就可恢复其操作。
多轴框架的结构可使用轻质量、高强度和刚性部件来制作，该部件可使用金属挤压技术来制作。合适的金属包括例如铝、黄铜、铜、铅(和锡)、镁、锌、钢、钛、铁及其合金。材料特性(例如熔点)使其与铝一样可挤压的镁特别适用于飞行器零件和核工业零件。
参考图2b，在操作中，驱动马达210以高速旋转主轴226和切割器工具212，其中切割器工具212(在计算机控制下)通过多轴框架在其操作范围内移动以从3D打印部件100选择性地切除材料。主轴226的速度(即，每分钟转数(RPM))可根据切割器工具212的材料和直径来决定。通过针对每个自由轴选择性地控制轴马达，切割器工具212可以定位在其3D操作范围内的任何点内，该3D操作范围由在每个自由轴中提供的横向移动规定。如图所示，随着切割器工具212除去工件222的部分，产生碎屑(例如废屑)。
当切割器工具212接合3D打印部件100时，除了碎屑224之外，可以产生热和/或火花。因此，可邻近工件222设置喷雾嘴218，以尤其在切割器工具212和3D打印部件100之间的接触点上喷射切割流体228。虽然3D打印部件100可被“干切割”(即，在没有切割流体228或其它液体润滑剂的情况下操作)以改善清洁度，但是切割流体228提供了许多益处。切割流体主要用于冷却切割工具，由于摩擦，切割工具在从基部部分切割碎片时会升温。例如，切割流体228通过润滑和冷却切割器工具212来增加最大可允许切割速度，从而降低总体成本并改善公差、工具寿命和总体速度。然而，切割流体需要很长时间来清洁并且可能有毒。
如图所示，切割器工具212被沿3D打印部件100的表面和/或围绕3D打印部件100的表面引导以除去其最外层，从而除去粗糙的层状表面抛光102以产生光滑的抛光。例如，比较图2a和图2c，其示出切割器工具212沿X轴、Y轴和Z轴中的每个的运动。具体地，图2c相对于图2a示出切割器工具212被向右(沿X轴)移置ΔX，向前(沿Y轴)移置ΔY，并且向上(沿Z轴)移置ΔZ。
如可以理解的，除去最外层的工艺减小3D打印部件100的尺寸，这是3D打印部件100a被打印时稍大于目标铣削3D打印部件100b的尺寸的原因。在某些方面，主轴226可被配置成既执行增材制造工艺(例如，电子束焊接、激光熔覆或FDM等)又执行消减制造工艺(例如CNC铣削)。
当在微重力中使用消减铣床200时有两个主要障碍要克服。第一个障碍是当切割器工具212从工件222除去材料时产生的碎屑224的管理。第二障碍是冷却和润滑切割器工具212的切割流体228的管理。第一障碍借助于使用气旋式分离从罩体302收集和排空碎屑224的罩体302来解决。第二障碍可以以两种方式解决：通过(a)用保持切割器工具212冷却的冷却空气或周围空气的定向空气流(例如喷射)代替常规切割流体228，和/或(b)通过利用高度稳健的工具路径，该工具路径以整体速度为代价最大化切割器工具212的寿命和部件精度，该整体速度在太空飞行应用中不那么重要。
图3a和图3b示出用于在微重力环境中与消减铣床200一起使用的示例性气旋式空气冷却式罩体300。更具体地，图3a示出空的气旋式空气冷却式罩体300，而图3b示出包含铣削3D打印部件100的消减铣床200的气旋式空气冷却式罩体300。气旋式空气冷却式罩体300通常包括罩体302、鼓风机310、分流器312、电源314、计算机316(例如处理器)、多个空气管道318和碎屑收集模块324。
气旋式空气冷却式罩体300在微重力环境中提供许多优点。气旋式空气冷却式罩体300通过使用周围空气流或冷却空气流的流实现冷却，结合以增加的制造时间为代价减少切割工具上的负载的稳健工具路径来消除切割流体的需求。例如，渐缩气旋式分离器被设计成在微重力环境中提供气旋式分离以在产生碎屑224时主动地从消减铣床200中除去碎屑224。为此目的，一个或多个鼓风机310可被配置成产生气流，该气流用于引发用于在罩体内实现气旋式分离的气旋式空气流。例如，鼓风机310可用于提供用于产生气旋式空气流的多个周向气流(例如，主鼓风机系统320)和/或用于在切割工具处供应定向空气流的位于气旋式分离器中的单个气流(例如，次鼓风机系统322)。此外，与常规过滤器不同，气旋式分离器在碎屑224被收集时不会失去吸力。最后，可提供耦接到计算机316的感知系统326以组合先验信息和传感器数据，以在消减加工期间提供实时反馈和质量控制。
罩体302密封消减铣床200并且提供用于执行气旋式分离的表面(例如，壁)。例如，罩体302可由顶板304和基板306限定，顶板304和基板306经由渐缩侧壁308彼此连接以模仿重力的影响。顶板304和基板306中的每个可为大致平面的、圆形的，并且如图所示，具有不同的直径。如图所示，顶板304位于第一平面中，而基板306位于与第一平面竖直(Z轴)间隔开并且基本上平行于第一平面的第二平面中。具体地，顶板304的直径可小于基板306的直径，以实际上向渐缩侧壁308提供渐缩。因此，顶板304和基板306连同渐缩侧壁308限定平顶圆锥(即，截顶圆锥形状，或圆锥截头体)。换言之，由顶板和基板之间的渐缩侧壁限定的圆锥截头体限定容纳消减铣床200的罩体302的腔室。例如，当消减铣床200采用桌面形状因数时，基板306可在大约2英尺和3英尺之间，其中渐缩侧壁308的锥角(∠T)可在向内(相对于竖直z轴)在大约10°和30°之间，如图3a最佳所示。基板306的直径由消减铣床200的尺寸(例如占地面积)决定，而顶板304的直径是基板306的直径、渐缩侧壁308的锥角以及顶板304与基板306之间的竖直距离的三角函数。可以理解的是，渐缩侧壁308的锥角可根据周向空气流的速度和在碎屑224与渐缩侧壁308之间的摩擦力来选择。
罩体302可使用或更轻质量的材料制作，诸如金属/金属合金(例如，铝、黄铜、铜、铅(和锡)、镁、锌、钢、钛、铁及其合金)、塑料(例如，丙烯酸、聚丙烯酸脂塑料、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚乙烯高密度(PEHD)、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯、热塑性聚合物，乙烯基等)、玻璃纤维、玻璃(例如夹层玻璃)等。罩体302的部件可由单个材料或不同的材料制作。例如，顶板304和基板306可由刚性非透明材料制成，而渐缩侧壁308可由半柔性透明材料制作。尽管渐缩侧壁308被示出为由单个连续材料制作，但渐缩侧壁308可替代地使用相同或不同材料的多个面板来制作。例如，一个或多个面板可为透明的，以准许使用者监测消减铣床200，而剩余的一个或多个面板可为不透明的。
圆锥形罩体302可围绕消减铣床200构建。在某些方面，顶板304或基板306可与渐缩侧壁308可移除地耦接，以使得操作者能够接近和/或除去消减铣床200和/或3D打印部件100。例如，基板306可使用扭转和锁定机构耦接到渐缩侧壁308，或另选地，使用一个或多个锁定器将渐缩侧壁308耦接到基板306。在某些方面中，渐缩侧壁308可包括门或舱口，其可以被打开/去除以接近和/或去除消减铣床200和/或3D打印部件100。
鼓风机310、分流器312、电源314和计算机316可定位在罩体302的顶部(例如，在顶板304上)。另选地，鼓风机310、分流器312、电源314和计算机316中的一个或多个可位于其它地方(例如，邻近或远离罩体302)。
电源314可为自供电的(例如，使用电池、太阳能面板等)或耦接到运载工具的电气系统(例如，航天飞机/空间站的电气系统，其在120到160伏DC下操作)。电源314可采用一个或多个电压转换器/换流器来将输入电压(或电池或运载工具的电气系统)转换成操作各种部件(例如鼓风机310、计算机316、感知系统326等)所需的期望的电压和电流。例如，电源314可包括一个或多个DC/DC转换器，诸如降压、冲跳升压、升压、冲跳或反激转换器。
计算机316可控制气旋式空气冷却式罩体300和/或在某些情况下消减铣床200的各种操作。计算机316可采用例如处理器、图形处理单元(GPU)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。计算机316可用可访问的输入端口和输出端口安装在罩体302的外部。计算机316可采用与Raspberry PiTM计算机大致相同的形状因数。例如，计算机316可读取位于罩体302中(或邻近罩体302)的传感器(例如，温度、空气流等)，控制(一个或多个)鼓风机310，与感知系统326连接，读取输入工具路径，以及向消减铣床200发送命令。例如，计算机316可命令消减铣床200使用高度稳健的工具路径来优化零件质量和工具寿命。
工具路径是指切割器工具212行进以执行期望的加工操作的在三维空间(例如，操作范围)中的坐标(或路径)。工具路径在消减铣床200开始加工之前由操作员进行计算和检查。稳健工具路径是指在工件222上方缓慢地行进同时进行浅切割的工具路径，而常规工具路径在工件222上方快速地行进同时进行深切割。通过采用稳健工具路径以减小切割器工具212上的负载可延长切割器工具212的寿命，该稳健工具路径对切割器工具212的伤害较小。
鼓风机310(或鼓风机系统)可用于向罩体302供应惰性气体以引发气旋式分离所需的气旋式空气流(在图中使用虚线箭头指示)和定向空气流(在图中使用点划线箭头指示)。惰性气体尤其可包括大气(即，78.09％的氮气，20.95％的氧气，0.93％的氩气，0.04％的二氧化碳和少量其它气体的混合物)，纯氩气，纯氮气等。鼓风机310在其空气入口处从空气供应(或罩体302周围的区域)接收惰性气体以产生高压空气流。气流被传送到分流器312，分流器312跨越多个空气管道318划分气流。多个空气管道318经由渐缩侧壁308中的不同注射位点328(例如，孔/入口)将空气切向地(例如，如图所示，相对于渐缩侧壁308)注射到罩体302中以在限定主鼓风机系统320的罩体302内产生气旋式空气流。例如，图3a示出主鼓风机系统320，其具有五个位点，每个注射位点开始耦接到来自分流器312的空气导管318。注射位点处来自空气导管318的空气流协同工作以产生气旋式气流以实现罩体内的气旋式分离。
为了调节罩体302内的温度，可以使用空气冷却单元(例如，热交换器、制冷循环、涡流管等)来将惰性气体(例如周围空气)在进入罩体302之前冷却到调节的温度(例如预定温度)。如果仅期望针对某些空气导管318进行温度调节，则空气冷却单元(未示出)可用管线流体耦接在鼓风机310和分流器312之间，或在分流器312的下游。尽管空气冷却单元在次鼓风机系统322(其中期望冷却切割器工具212)中特别有用，但空气冷却单元可用于冷却由主鼓风机系统320或次鼓风机系统322二者之一或二者供应的惰性空气。代替主鼓风机系统320，气旋式空气冷却式罩体300可替代地采用离心机，其中整个罩体302被配置成围绕垂直于基板306的轴线旋转，从而引发气旋式空气流以迫使碎屑224到达周边。垂直于基板306的轴线可位于由基板306限定的圆的中心。
罩体302内的碎屑224(例如，松散的碎片，诸如金属削屑)被气旋式空气流加速，从而产生将碎屑224推到罩体302的外周的离心力。当碎屑224到达罩体302的外周边时，离心力继续将它们径向向外推动，这导致碎屑224也从罩体302的渐缩侧壁308的低摩擦内表面向下滑动并且朝向基板306滑动。在经由废物端口330离开罩体302之前，碎屑224沿基板306的周边收集并且旋转(如图3b中最佳所示)。废物端口330流体耦接到使用者可维修的碎屑收集模块324，碎屑224在碎屑收集模块324中被收集以用于储存并且最终被处置。
碎片收集模块324可经由例如螺纹耦接器、快速释放连接器、扭转和锁定机构等与罩体302耦接。在某些方面，碎屑收集模块324可以包括压实器或粉碎机以使得给定尺寸的碎屑收集模块324能够通过压实/减小容纳在碎屑收集模块324内的碎屑224的尺寸来存储额外的碎屑224，从而增加清空碎屑收集模块324之间的时间。在某些方面，碎屑收集模块324可将碎屑224熔融成用于再循环的单个单元(例如，块)，其可与其它废料、备用物和旧零件或部件一起使用以创建新的备用物。
用于产生气旋式空气流的惰性气体可以经由定位在碎屑收集模块324的下游端部处的空气出口336离开罩体302，在该下游端部处惰性气体经由返回管334和返回端口332再循环回到罩体302中，确保没有泄漏到周围环境中(即气密的封闭系统)。如图所示，空气出口336可定位在碎屑收集模块324的下游端部的上部端部处，以减轻碎屑224穿过空气出口336的风险。空气出口336可采用一个或多个过滤器来确保较小的碎屑224保留在碎屑收集模块324中。在某些方面，碎屑收集模块324内的压力可被监测(例如，经由计算机316)以检测空气出口336和返回端口332之间的堵塞。如图所示，返回端口332可相对于渐缩侧壁308以一定角度(切向)定位，使得来自碎屑收集模块324的返回空气基本上与气旋式空气流对准，从而维持具有通过将返回空气引导到罩体302导致的最小湍流的稳定的气旋式空气流。
来自分流器312的空气导管318可定位在罩体302内并且邻近切割器工具212耦接到喷雾嘴218，该喷雾嘴218限定次鼓风机系统322以在切割器工具212处提供定向空气流以吹动来自切割器工具212的碎屑224并且吹入由主鼓风机系统320产生的气旋式空气流。除了将碎屑224远离切割器工具212吹入气旋式空气流之外，来自次鼓风机系统322的喷雾嘴218的定向空气流可以起到类似于切割器流体228的功能(例如，冷却切割器工具212)的功能，但没有与切割器流体228相关联的混乱。喷雾嘴218可耦接马达座架220使得其与切割器工具212在操作期间一起行进。因此，次鼓风机系统322可补充切割器流体228的有效性，或可完全省略切割器流体228，以有利于来自次鼓风机系统322的定向空气流(例如，在使用冷却单元的情况下)。例如，虽然气旋式空气冷却式罩体300经由次鼓风机系统322避免了冷却流体的需求，但喷雾嘴218仍然可用于在加工过程期间用定向空气流递送标称量的切割流体228。
气旋式空气冷却式罩体300还可包括监测铣削过程和/或铣削操作的过程的感知系统326，其可由计算机316用来调节切割过程的参数。感知系统326尤其包括激光器、红外照相机、照明器材、测量表面轮廓的表面光度仪、超声波和/或照相机以监测工作零件的3D几何形状、温度分布、内部结构信息以及正在产生的碎屑224的尺寸。与存储到存储器设备的数据库的先验信息，诸如3D点数据、CAD文件、其它分析信息(例如，热、结构、动态等)和有限元方法(FEM)信息耦接，感知系统326允许在处理过程中(例如，实时或接近实时)对消减铣床200的控制器/计算机(例如，计算机316)进行反馈，从而改善总体安全性和质量控制。例如，感知系统326可被配置成如果碎屑224被感知为太大则动态地减小切割深度，或如果检测到或预测到意外错误则完全中止该处理。
气旋式空气冷却式罩体300扩展了现有3D打印机的能力，现有3D打印机可以以很少的浪费来打印塑料和金属，但遭受差的表面抛光和尺寸精度。气旋式空气冷却式罩体300促进关键的精加工过程，以实现大多数航空和航天硬件所需的高质量表面抛光和尺寸精度。浪费少的增材制造与高精度的消减制造之间的这种合作关系使得太空中制造可行并且有用。
虽然气旋式空气冷却式罩体300已经主要关于微重力环境进行描述，但也可在具有普通重力的环境中，例如在地球上也可以采用气旋式空气冷却式罩体300的原理。例如，气旋式空气冷却式罩体300可在通常与常规消减铣床相关联的碎屑224和切割流体228的清理不可接受或不期望的情况下被采用。示例包括但不限于在空气质量受到严密监测的洁净室内进行精密制造。在该情况下，可使用常规的重力气旋式分离器设计，从而避免在消减铣床周围的罩体上渐缩的需要。也就是说，由于地球上的重力，顶板304和基板306可具有相同的直径，使得侧壁是圆柱形而不是圆锥形的。
上面引用的专利和专利公开以参考方式整体并入本文。在以参考方式并入本文的参考文献中的术语的定义或使用与本文所提供的术语的定义或理解不一致或相反时，以本文提供的术语的含义为主，该术语在参考文献中的定义不一定适用。虽然已经参考零件、特征等的特定布置描述各种实施例，但是这些并不意图穷举所有可能的布置或特征，并且实际上许多其它实施例、修改和变化对于本领域技术人员将是可确定的。因此，应当理解，本主题公开的教导因此可以用与上面具体描述的不同的方式实施。

Claims (13)

1.一种用于在微重力系统中执行消减加工的气旋式系统，所述气旋式系统包括：
罩体(302)，其具有顶板(304)、基板(306)和将所述顶板(304)连结到所述基板(306)的渐缩侧壁(308)，其中所述罩体(302)限定腔室以容纳具有切割工具的铣床；
鼓风机(310)，其产生气流以用于引发气旋式空气流以在所述罩体(302)内实现气旋式分离，其中所述气旋式空气流被配置成将来自所述铣床的碎屑(224)朝向所述基板(306)推进；以及
碎屑(224)收集模块，其收集来自所述铣床的所述碎屑(224)。
2.根据权利要求1所述的气旋式系统，其中所述气旋式空气流被配置成沿所述基板(306)的周边将所述碎屑(224)推进到所述碎屑(224)收集模块。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气旋式系统，其中所述罩体(302)是截顶圆锥形状。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的气旋式系统，其中所述顶板(304)位于第一平面中，并且所述基板(306)位于与所述第一平面间隔开并且基本上平行于所述第一平面的第二平面中。
5.根据权利要求4所述的气旋式系统，其中所述腔室是由所述顶板(304)和所述基板(306)之间的所述渐缩侧壁(308)限定的圆锥截头体。
6.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4或权利要求5所述的气旋式系统，还包括分流器，其接收来自所述鼓风机(310)的所述气流并且跨越多个空气管道划分所述气流。
7.根据权利要求6所述的气旋式系统，其中至少两个空气管道各自在不同注射位点处流体耦接到所述罩体(302)。
8.根据权利要求7所述的气旋式系统，其中所述两个空气管道中的每个被配置成将空气切向地注射到所述罩体(302)中以产生所述气旋式空气流。
9.根据权利要求8所述的气旋式系统，其中所述定向的空气流被配置成经由喷雾嘴(218)将碎屑(224)吹入所述气旋式空气流中。
10.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7、权利要求8或权利要求9所述的气旋式系统，其中所述铣床是计算机数字控制铣床即CNC铣床。
11.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7、权利要求8、权利要求9或权利要求10所述的气旋式系统，其中所述渐缩侧壁(308)由金属、金属合金、塑料或其组合制作。
12.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7、权利要求8、权利要求9、权利要求10或权利要求11所述的气旋式系统，还包括喷雾嘴(218)，其将来自所述鼓风机(310)的定向空气流喷射到所述切割工具上。
13.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7、权利要求8、权利要求9、权利要求10、权利要求11或权利要求12所述的气旋式系统，其中碎屑(224)收集模块包括压实器，以压实容纳在所述碎屑(224)收集模块内的所述碎屑(224)。
CN201810425509.9A 2017-07-12 2018-05-07 气旋式空气冷却微重力铣削机 Pending CN109249267A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/648,222 US10112202B1 (en) 2017-07-12 2017-07-12 Cyclonic air-cooled microgravity mill
US15/648,222 2017-07-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109249267A true CN109249267A (zh) 2019-01-22

Family

ID=62904388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810425509.9A Pending CN109249267A (zh) 2017-07-12 2018-05-07 气旋式空气冷却微重力铣削机

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10112202B1 (zh)
EP (1) EP3431198B1 (zh)
CN (1) CN109249267A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114939911A (zh) * 2022-06-06 2022-08-26 高邮市北方动力机械有限公司 一种智能化劈木机

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI614080B (zh) * 2016-09-13 2018-02-11 財團法人工業技術研究院 加工恆溫控制系統及其利用方法
JP6686063B2 (ja) * 2018-04-23 2020-04-22 Dmg森精機株式会社 工作機械
GR20190100416A (el) * 2019-09-25 2021-04-16 Ελευθεριος Πλαφουντζης Χαρυβδις-δορυφορικο συστημα ενεργους αφαιρεσης διαστημικων συντριμμιων
JP6997844B2 (ja) * 2019-11-14 2022-01-18 住友化学株式会社 積層体を加工する方法、加工フィルムの製造方法、および、積層体加工装置
JP7374297B2 (ja) * 2020-03-25 2023-11-06 日東電工株式会社 貫通穴を有する粘着剤層付光学積層体の製造方法および該製造方法に用いられる貫通穴形成装置
CN111545818B (zh) * 2020-05-14 2021-04-27 瑞安市精质模具科技有限公司 一种带有废料收集功能的铣刀夹具
US20230150186A1 (en) * 2020-06-05 2023-05-18 Dc Precision Ceramics, Llc Manufacturing systems and methods for three-dimensional printing
CN113399717B (zh) * 2021-06-08 2022-05-24 杭州职业技术学院 一种数控机床加工用轴体冷却散热装置
CN113894610A (zh) * 2021-11-24 2022-01-07 常德市柳城建筑机械有限公司 一种精密机械生产加工用高效除尘器

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2221127A (en) * 1938-07-27 1940-11-12 Westinghouse Electric & Mfg Co Temperature control means for gear cutting
US3605551A (en) * 1968-11-18 1971-09-20 Richard B Steward Method of sub-zero cooling while machining space-age materials
US3534926A (en) 1969-04-28 1970-10-20 Nasa Space manufacturing machine
US3971114A (en) * 1972-01-27 1976-07-27 Dudley George M Machine tool having internally routed cryogenic fluid for cooling interface between cutting edge of tool and workpiece
DE2732249A1 (de) * 1977-07-16 1979-01-25 Fischer Geb Chevalier Ursula Absaughaube fuer reinigungsarbeiten
US4986703A (en) * 1989-05-01 1991-01-22 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Auxiliary control technology for routers
US5332341A (en) * 1991-05-30 1994-07-26 Hitachi Seiko Ltd. Pressure foot of printed circuit board drilling apparatus
US5245152A (en) * 1992-06-09 1993-09-14 Klein Tools, Inc. Dielectric fluid dust extraction system for electric discharge machine
US5263800A (en) * 1992-08-20 1993-11-23 Chen Chih Hung Work table of tooling machine
JP2606349Y2 (ja) * 1993-12-09 2000-10-23 富士重工業株式会社 工作機械の冷却集塵装置
AU3323695A (en) 1994-08-09 1996-03-07 Edison Materials Technology Center, The Cryogenic machining
US6071284A (en) 1995-10-30 2000-06-06 Biomedical Enterprises, Inc. Materials collection system and uses thereof
JPH09262710A (ja) * 1996-03-28 1997-10-07 Nippon Mektron Ltd ドリルシャンクへの切粉付着防止装置
FR2751254B1 (fr) * 1996-07-19 1998-08-21 Renault Dispositif pour enlever les copeaux projetes par la tete d'usinage d'une machine outil
CN1104997C (zh) * 1996-07-23 2003-04-09 株式会社东红 工作装置
DE19651662C2 (de) * 1996-12-12 2002-10-02 Ringler Bernhard Vorrichtung zum Absaugen von Bearbeitungsrückständen aus einem Bearbeitungsbereich einer Bearbeitungsmaschine
DE19743775A1 (de) * 1997-10-02 1999-04-08 Blohm & Voss Int Vorrichtung zum Reinigen von Flächen, vorzugsweise der Außenhaut des Körpers von Seeschiffen
US6036412A (en) * 1998-03-24 2000-03-14 Dalla; Joseph E. Coolant and chip removal apparatus for milling operations
JP3794938B2 (ja) * 2000-10-04 2006-07-12 株式会社牧野フライス製作所 加工機械設備
DE10132387A1 (de) * 2001-07-06 2003-01-16 Preussag Ag Minimax Gaslöschanglage an Werkzeugmaschinen
JP3626947B2 (ja) * 2002-08-14 2005-03-09 ファナック株式会社 工作機械の切粉及び切削液飛散防止装置
FR2870763B1 (fr) * 2004-05-26 2007-08-10 Airbus France Sas Dispositif de percage et procede de percage mis en oeuvre par un tel dispositif
DE102014111238A1 (de) * 2013-11-26 2015-05-28 Mauser-Werke Oberndorf Maschinenbau Gmbh Werkzeugmaschine
US20160082478A1 (en) 2015-06-30 2016-03-24 Otis Walton Size-separation of dry granular materials

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114939911A (zh) * 2022-06-06 2022-08-26 高邮市北方动力机械有限公司 一种智能化劈木机
CN114939911B (zh) * 2022-06-06 2022-11-18 高邮市北方动力机械有限公司 一种智能化劈木机

Also Published As

Publication number Publication date
US10112202B1 (en) 2018-10-30
EP3431198B1 (en) 2020-01-08
EP3431198A1 (en) 2019-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109249267A (zh) 气旋式空气冷却微重力铣削机
Dutta et al. Science, technology and applications of metals in additive manufacturing
Flynn et al. Hybrid additive and subtractive machine tools–Research and industrial developments
Shen et al. Fused deposition modeling five-axis additive manufacturing: machine design, fundamental printing methods and critical process characteristics
TW471955B (en) Contained direct particle beam flow abrasion system
US10611085B1 (en) Apparatus and method for recycling material into an object using at least one of an additive and subtractive process, powered by renewable, non-renewable, or internal energy devices, and controlled remotely by artificial intelligence, voice command, and wireless network controllers
Park et al. Eco-friendly face milling of titanium alloy
EP2987588A1 (en) Machining device and workpiece machining method
EP2441548A1 (en) Machining apparatus equipped with waste recovery device, and method of machining article to be machined
Walter et al. Environmental advantages in additive manufacturing
Parandoush et al. A finishing process via ultrasonic drilling for additively manufactured carbon fiber composites
KR102392295B1 (ko) 금속 3d 프린터
Nayak et al. Machining of nanocomposites
Hassan et al. Effects of twist drill geometry and drilling parameters on CFRP aluminum stack up in single shot drilling
Xu et al. Calculation of negative-pressure chip in suction-type internal chip removal system and analysis of influencing factors
CN108177025A (zh) 壳体类零件平面孔系加工盲孔深度在线检测与自动清理集成装置及其检测和清理方法
Damanhuri et al. The effects of virgin and recycled PA12 powders in SLS processes on occupational exposures
Denkena et al. Smart and energy-efficient dust suction concept for milling of fibre-reinforced plastics
CN105650451A (zh) 一种3d打印机保护罩
WO2022187337A1 (en) Portable laser and device and method for reducing foreign objects on optical surface
CN108247872A (zh) 一种用于切割石材和瓷砖的切割机
CN104842209B (zh) 一种用于加工螺母的数控机床
Makudapathy et al. High aspect ratio machining of carbon fiber reinforced plastics by electrical discharge machining process
KR102449995B1 (ko) 금속 3d 프린터 출력물을 에워싼 잔여 분말을 제거하고, 제거된 분말 중 재활용 가능한 일부를 회수하기 위한 장치
Unver et al. 3D Additive Manufacturing Symposium & Workshop

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190122